Kompresor - ubogi technologicznie krewniak turbosprężarki?

Pierwsze prace inżynieryjne idące w kierunku stworzenia kompresora zostały wykonane jeszcze w roku 1948. Pierwszy patent został jednak zgłoszony dopiero 12 lat później. Jego autorem stali się bracia Philander i Francis Roots z Indiany. Urządzenie zbudowane przez Amerykanów było naprawdę proste. Pod jedną obudową ukrywało dwa wirniki, z czego jeden wprawiał w ruch drugi. Wynalazek braci Roots dość szybko zainteresował świat motoryzacyjny. A powód był prozaiczny. W końcu w celu uzyskania mocy nie można było powiększać pojemności silnika w nieskończoność. Ponoć już w roku 1900 kompresor został wprowadzony do konstrukcji silnika 4-cylindrowego przez Daimlera. Był to model przygotowany do startów w Grand Prix, który za sprawą sprężarki zaliczył 40-procentowy wzrost mocy!

I choć projekt z roku 1900 był bez wątpienia ważny, Niemcy raczej starają się go pominąć w swojej oficjalnej historii. Na kompresor powołują się dopiero w roku 1921, a konkretnie podczas opisu dwóch wybitnie luksusowych modeli - Mercedes 6/20 HP i 10/35 HP. To pierwsze na świecie seryjnie produkowane samochody korzystające ze sprężarki mechanicznej. Okresem rozkwitu kompresorów były też lata trzydzieste. Wtedy jednak mechanizm nadal pozostawał w zasięgu wyłącznie tych klientów, którzy kupowali pojazdy luksusowe. Auto Union - dzisiejsze Audi - uzyskiwało 100 koni mechanicznych z jednego litra pojemności, a Bentley 4,5-litre Blower m.in. za sprawą sprężarki osiągał nawet 220 km/h.

Kompresor - luksusowy dodatek do luksusowego auta

Kompresor silnika od zawsze kojarzył się z wyścigami, ewentualnie samochodami luksusowymi. Niestety w latach siedemdziesiątych zyskał naprawdę godnego przeciwnika. A tym stała się turbosprężarka szerząca swoją popularność na rynku samochodów osobowych. Doładowanie korzystające z gazów wydechowych dość skutecznie i szybko wyparło sprężarkę mechaniczną. Jaki był tego powód? Turbo dawało dużo większe możliwości, a te w czasie narastającego wyścigu mocy stały się po prostu zbawienne. Na przełomie XX i XXI wieku kompresory w samochodzie montowało zaledwie kilku producentów. Później niestety stopniowo zaczęły zanikać.

Kompresor cieszy się szczególnym szacunkiem za oceanem. W Europie jego idea była propagowana przede wszystkim prze trzy marki. W latach dziewięćdziesiątych sprężarka mechaniczna stała się znakiem rozpoznawczym m.in. samochodów Mercedesa. Była stosowana nie tylko w popularnej klasie C i E, ale także serii modeli ze sportowej gamy AMG. Poza tym kompresorem zauroczyli się też Brytyjczycy, a w szczególności Land Rover i Jaguar. Warto w tym momencie wspomnieć chociażby o nobliwej limuzynie XJR generacji X300, która w silniku AJ16S korzystała z mechanizmu Eaton M90 czy Range Roverze serii L322, pod maską którego montowana była 4,2-litrowa V-ósemka o mocy 400 koni mechanicznych.

Kompresor samochodowy ma zasadę działania bardzo podobną do turbosprężarki. Jego zadaniem jest mechaniczne zwiększenie ciśnienia powietrza w układzie dolotowym jednostki napędowej. O ile jednak turbo w charakterze napędu wykorzystuje gazy wydechowe, o tyle tutaj wirniki są napędzane wprost z wału korbowego. Jakie to powoduje zmiany w budowie samego urządzenia? Po jednej stronie znajduje się źródło napędu. Prędkość obrotowa jest przekazywana za pośrednictwem paska klinowego, łańcucha, ewentualnie przekładni zębatej. Wszystko zależy od systemu, na który zdecydowali się konstruktorzy silnika.

Dwa wirniki przypominające śrubę - jak pracują? 

Kolejnym elementem jest korpus, w którym pracuje nie jeden, a dwa wałki. Obydwa są zakończone wirnikami przypominającymi śruby. Te podczas pracy obracają się w kierunku sobie przeciwnym i pod żadnym pozorem nie mogą się stykać. W ten sposób między wirnikami powstaje przestrzeń, w której porusza się powietrze. Praca wałków jest stabilizowana za pomocą zębatek - te wyrównują ich prędkość. Co więcej, w kompresorze stosowane są też sprzęgła. Ich zadaniem jest regulowanie momentu obrotowego, który jest przekazywany z silnika. Jeżeli chodzi o samo sprężanie powietrza, to dokonuje się u zwężonego wylotu ze sprężarki. Zaraz za sprężarką montowane bywają też intrercoolery.

Kompresory do samochodów początkowo były wykorzystywane jako urządzenia samodzielne. Z czasem ich rola zaczęła się jednak zmieniać. Jednym z ciekawszych punktów w ich historii jest motor 1,4 TSI Grupy Volkswagena. W jego przypadku sprężarka mechaniczna pełniła rolę boostera mocy na niskich obrotach. Sprawiała, że motor był w stanie zagwarantować osiągi praktycznie od startu. Gdy obciążenie silnika się zwiększało, kompresor był odcinany za sprawą sprzęgła elektromagnetycznego. Sprzęgła, które - na marginesie - początkowo było elementem dość awaryjnym.

Najbardziej oczywistą zaletą zastosowania kompresora w samochodzie jest dodatkowy zastrzyk mocy. Większa ilość powietrza wtłoczonego do komory spalania w silniku zwiększa efektywność procesu spalania, poprawia jego sprawność oraz redukuje ilość szkodliwych związków do atmosfery. Poza tym w przeciwieństwie do turbosprężarki, sprężarka mechaniczna jest pozbawiona efektu turbodziury. Pracuje bowiem równolegle z silnikiem - od niskiego do maksymalnego zakresu obrotów. Co więcej, kompresory są raczej mało problematyczne i w większości przypadków dzielnie znoszą trudy eksploatacji przez lata.

Kompresor samochodowy - daje, ale i odbiera moc

Co z wadami? Niestety specyfika pracy sprężarki mechanicznej sprawia, że stanowi ona dodatkowe obciążenie dla silnika. Według różnych szacunków konieczność napędzania wirników wprost z wału korbowego zjada nawet 30 proc. generowanej przez kompresor mocy. To oznacza nie tylko słabsze osiągi niż w przypadku turbosprężarki i brak efektu uderzenia mocy. Wyższe obciążenie dla jednostki napędowej wiąże się też z podwyższeniem wyników zapotrzebowania na paliwo.

Kompresor silnika jest zdecydowanie mniej problematyczny w eksploatacji od turbosprężarki. Kierowca musi pamiętać tak naprawdę tylko o dwóch procedurach serwisowych. Pierwszą jest regularna wymiana filtra powietrza. Zużyty osadnik prędzej lub później zacznie wpuszczać do układu dolotowego zanieczyszczenia, a te w nieubłagany sposób odbiją się na stanie mechanizmu kompresora. Poza tym świętością jest dbanie o interwał wymiany paska napędzającego kompresor - o ile pasek został zastosowany przez konstruktorów. W razie jego zerwania możliwa będzie dalsza jazdy, jednak już bez dodatkowego zastrzyku mocy.

Pomijając te procedury serwisowe kompresor nie wymaga m.in. ostrożnego wchodzenia na obroty zaraz po rozruchu czy odczekiwania na schłodzenie mechanizmu po mocnym obciążeniu silnika. Poza tym sprężarka identycznie jak turbosprężarka ma opinię rozwiązania przeliczonego na całe życie jednostki napędowej. W tym jednak przypadku teza jest bardzo bliska prawdzie. Rynkowa praktyka jasno pokazała, że sprężarki bardzo rzadko ulegają uszkodzeniom z przyczyn naturalnych. Dzięki temu bezawaryjnie pokonują 500 czy nawet 600 tys. km. Ich żywot na ogół kończy się wcześniej przede wszystkim z uwagi na zaniedbania kierowcy.

Kompresory są naprawdę trwałe! To dobrze, bo okazują się drogie 

Co jednak w sytuacji, w której do awarii kompresora w silniku miałoby dojść? Pojawia się pewien problem. Producenci dość mocno wierzą w wieczność sprężarki mechanicznej, właśnie dlatego na rynku strasznie ciężko znaleźć fabrycznie nowe mechanizmy. Dostępne jest m.in. urządzenie dedykowane 5-litrowemu silnikowi V8 montowanemu pod maską Jaguarów i Land Roverów. Fabrycznie nowa część kosztuje 2700 zł. Problem dotyczy też regeneracji. Nie jest łatwo znaleźć na terenie kraju warsztat, który fachowo wykonuje naprawy kompresorów. W efekcie koszt jej wykonania jest spory. Zazwyczaj za kompletne odnowienie mechanizmu trzeba zapłacić co najmniej 700 - 800 zł.

Dużo szersza oferta dotyczy rynku wtórnego. Dla przykładu używane mechanizmy starego typu dedykowane Mercedesom z przełomu lat dziewięćdziesiątych i XXI wieku kosztują dziś 250 - 300 zł. Sprężarki z drugiej ręki skierowane do niemieckich silników 1,4 TSI kosztują 550 - 800 zł., podczas gdy za nowoczesny układ mechanicznego doładowania chociażby do motoru 3,0 TFSI montowanego w Audi trzeba zapłacić już 1500 - 2000 zł. Ceny starszych typów mechanizmów używanych wyglądają niezwykle optymistycznie. Mimo wszystko ich zakup stanowi wielką niewiadomą. W końcu kierowca dopóki nie zamontuje ich w silniku i nie zacznie eksploatować, nigdy nie będzie wiedział w jakim tak naprawdę są stanie.

Kompresor być może nie oferuje tak wysokiej sprawności jak turbosprężarka, ma jednak zaletę, która daje mu ważnego asa w rękawie. Naprawdę może być bezawaryjny. I o ile fakt ten nie będzie miał znaczenia w sytuacji, w której kierowca jeździ autem 2-3-letnim, o tyle nabierze wielkiego sensu podczas eksploatacji pojazdu starszego. Szczególnie że do osiągnięcia pełnej bezawaryjności wystarczy wymiana filtra powietrza i kontrola stanu paska napędzającego.